1、Process and Fabrication 工艺与制造0 引言 自1956年美国德州仪器生产的第一款集成电路面世至今近70年以来，全球集成电路技术飞速发展，其最小特征尺寸始终遵循摩尔定律的规律1-3，经历了从微米到纳米的发展历程，目前已实现最小1nm制程工艺，后摩尔时代摩尔定律将继续引导着集成电路工艺往更小、更密、更快的方向发展4。集成电路特征线宽的不断缩小对集成电路专用材料的制备与研发提出了更高的要求，集成电路技术的不断升级与创新依赖于上游材料的底层突破。据统计，全球约500亿规模的集成电路材料支撑起4 000亿美元规模的集成电路产业5。当前，全球集成电路材料呈现高度集中化的发展态势，日
2、、美等发达国家和地区由于掌握关键技术的制备，始终保持着供给侧“垄断”优势6，而需求侧主要分布在中国大陆等地区。21世纪以来，我国集成电路产业得到长足的发展，产业链结构逐渐优化，部分关键材料实现了从无到有，从低端到中高端的突破，各环节都取得了令人瞩目的进步。但与此同时，我们也要看到集成电路材料具有细分领域众多，技术跨度大、壁垒高等特点，在现有技术水平下，我们想要追赶国际先进水平面临着巨大的挑战7，因此需要对我国集成电路材料发展现状进行深刻探讨，努力提升国产化材料的自主保障能力8。1 我国集成电路产业的状况集成电路是信息社会以及高新技术产业的基石，也是推动战略性新兴产业不断发展的关键9；与此同时，
3、集成电路产业的发展能够为集成电路材料的创新发展提供源源不断的驱动力。近几年来，我国加大对集成电路产业的扶持力度，国内集成电路产业市场规模不断扩大。据国家统计局的数据显示10，到2020年前三季度国内集成电路产量达到1 822亿块，同比增长14.7%，我国已成为全球集成电路产业发展的主要动力；从集成电路销售收入来看，2020年前三季度国内集成电路总销售额达到898亿美元，较去年同期增长了16.9%，占据了全球集成电路总销售额的28.1%11,12。此外，在集成电路进出口方面，2020年前三季度集成电路进口额高达2 522.2亿美元，同比增长13.8%，成为国内进口量最大的商品；与此同时，集成电路
4、出口额仅为824.7亿美元,贸易逆差正在逐渐增大13。2013-2020年中国集成电路市场规模及增速情况如图1 所示。集成电路产业的生存和发展，离不开复杂和精密的产业链作为支撑，一条完整的集成电路产业链，包括设计、制造和封装测试三个分支14。同时，合理健康的产业链结构能够为集成电路材料的发展奠定坚实的基础。摘要：研究我国集成电路发展的状况、市场规模的扩大、内需潜力的稳步上升、产业链结构逐渐完善、部分细分材料不断实现底层突破，从而有效地促进我国集成电路材料的创新发展。关键词：集成电路制造，产业链结构，摩尔定律，半导体关键材料，国产化水平。中图分类号：TN405 文章编号：1674-2583(20
5、21)02-0022-04DOI：10.19339/j.issn.1674-2583.2021.02.009中文引用格式：朱惠臣,孙晓光,杜黎明.我国集成电路专用材料发展状况分析J.集成电路应用,2021,38(02):22-25.我国集成电路专用材料发展状况分析Abstract This paper studies the development status of integrated circuit in China,the expansion of market scale,the steady rise of domestic demand potential,the gradual
6、 improvement of industrial chain structure,and the continuous breakthrough of some subdivision materials,so as to effectively promote the innovation and development of integrated circuit materials in China.Index Terms IC manufacturing,industrial chain structure,Moores law,semiconductor key materials
7、,localization level.Analysis on Development of IC Special Materials in China ZHU Huichen,SUN Xiaoguang,DU Liming(Shanghai Institute of Metrology and Testing Technology,Shanghai 201203,China.)集成电路应用 第 38 卷 第 2 期（总第 329 期）2021 年 2 月 23Process and Fabrication 工艺与制造“十三五”以来，在市场的自发行为和政府的大力扶持下，我国集成电路产业链结构逐
8、渐向上游扩展，总体呈现出IC设计占比快速增长、制造业份额持续增长、封装测试占比合理下降的新格局15。从产业链各环节的占比来看，目前国内集成电路产业链各环节销售额占比分别为：IC设计业44.6%、制造业26.4%、封装测试业29.0%16。2020年集成电路产业链各环节销售额占比如图2 所示。从集成电路产业的整体发展趋势来看，我国集成电路发展迎来了新高潮，市场规模不断扩大，日益成为全球最大的集成电路市场；从产业链结构来看，纵览集成电路下游封装测试终端需求、中游核心产品制造以及上游IC设计三大产业价值链的发展历程，国内集成电路产业链各环节均取得快速发展，产业结构持续优化，完整的产业链条初步形成。基
9、于国内集成电路产业规模最大、增速最快的市场优势、巨大的国产化替代空间和逐渐优化的产业链结构，给我国集成电路专用材料的创新发展创造了良好的空间，提供了源源不断的动力。2 集成电路材料发展历程集成电路专用材料是整个集成电路行业的根基，其品质直接影响产品的性能。其组成主要包括硅晶圆、光刻胶等前端晶圆制造材料和基板等后端封装材料。近几年，受益于产能需求和政策支持，国内发展集成电路材料的热情高涨，各地各企业纷纷兴建工厂，研发新设备、制备新材料，集成电路材料得到充足发展，市场规模已位于世界前列，仅落后于中国台湾。但从集成电路材料的整体技术水平及关键材料的掌握情况来看，我国集成电路材料还存在国产化水平不高，
10、核心材料受制于人的问题。本段主要分析全球集成电路材料的主流技术水平以及我国集成电路材料的发展现状。全球半导体材料市场份额占比及前端晶圆制造材料结构如图3。（1）大尺寸硅晶圆。硅晶圆是由硅片通过滚模切割倒角、研磨、抛光清洗等工艺加工17后形成的用于制造芯片、纳米薄膜的重要材料，其市场规模占据半导体材料的三分之一。目前全球主流的硅晶圆产品直径尺寸为8 英寸（200mm）和12英寸（300mm）18。在全球硅晶圆市场的竞争格局中，由于硅晶圆具有极高的技术壁垒，日本信越化学、日本胜高、德国世创、中国台湾的环球晶圆四家企业基本垄断了全球硅晶圆市场份额的80%以上，其中日本的两大厂商合计占比50%以上19
11、。近几年，国内硅晶圆产业进入高速增长期，预计2020全年产能将达到460万片/月，而且出现了以沪硅产业和中环股份为代表的硅晶圆龙头企业，其中沪硅产业自主研发的12英寸硅晶圆打破了我国300mm半导体硅片国产化率几乎为0%的局面,并不断实现突破。总体上看，我国硅晶圆自主研发水平还远落后于国际一流水平的厂商，国产化硅晶圆主要还集中在6 8 英寸等中低端产品，大部分高端产品仍依赖进口。国内大尺寸硅片的研发和生产还处于起步阶段，实现硅晶圆的“自主可控”任重道远。（2）光刻胶及其附属产品。光刻胶是集成电路芯片制造中光刻工艺中的关键材料之一，其性能直接影响芯片的集成度和品质。随着全球集成电路加工工艺跨入纳
12、米时代，光刻胶的分辨率也随之提高，对应的曝光波长由紫外宽谱逐步至G 线（436nm）、H 线（405 nm）、I 线（365 nm），缩短至深紫外（193 nm ArF、157 nm F2）以及最先进的极紫外（EUV13.4 nm）工艺20,21。目前全球光刻胶市场主流的材料为KrF、ArF工艺的光刻胶，其中高端光刻胶ArF市场份额最大，占据41%以上，但基本上都被美国的陶氏杜邦和日本的JSR、东京应化等龙头企业垄断。作为半导体材料中进口依赖最高的材料，实现光刻胶国产化替代迫在眉睫。国内光刻胶制备技术目前离国际主流水平差距较大，生产光刻胶的企业数量有限，而且生产规模较小，国产化技术主要集中在中
13、低端产品，目前仅有北京科华、苏州瑞红等国内光刻胶龙头能够微量生产I 线和KrF光刻胶，其他企业仍处于产能建设期或研发期。（3）光学掩模版。光学掩模版，又称光掩模版，是光刻工艺所使用的图形母版22，主要应用于图1 20132020年中国集成电路市场规模及增速情况图2 2020年集成电路产业链各环节销售额占比图3 全球半导体材料市场份额占比及晶圆制造材料结构24 集成电路应用 第 38 卷 第 2 期（总第 329 期）2021 年 2 月 Process and Fabrication 工艺与制造集成电路、LCD等领域。全球用于掩模版制造的主流原材料玻璃基板只有少数厂商具备生产能力，导致全球掩模
14、版市场集中度高，垄断现象严重。核心技术主要掌握在日本DNP、美国Photronics等掩模版厂商手中。当前，国内掩模版需求与日俱增，但我国光掩模版行业国产化水平不高，长期依赖进口，只有少数企业和科研院所能够制造光掩模版，主要有与芯片厂配套的中芯国际，其技术水平为0.25m 14nm；独立掩模版制造厂商如无锡中微、清溢光电以及中科院微电子所、中国电科十三所等研究机构。（4）电子气体。电子气体是电子工业中，特别是大规模集成电路制造中不可缺少的材料气体，其市场规模仅次于硅片和光掩模版。该产业的发展与集成电路发展保持同步或超前23，电子气体的纯度每提高一个等级，都能推动集成电路产生质的飞跃。当前电子气
15、体行业竞争激烈，全球主要从事相关业务的企业有30余家，但由于电子气体行业具有较高的技术壁垒和资本壁垒，市场准入门槛较高，这些企业主要都分布在美、日、韩等国家。国内有多家企业涉及电子气体业务，已有不少企业展出头角。华特气体是国内率先实现应用在半导体领域的高纯六氟乙烷、高纯三氟甲烷等20多个产品的进口替代的公司，同时已进军海外市场；中船重工718所生产的三氟化氮等产品国内市占率第一。目前国内部分电子气体产品已完全实现国产替代，但主要集中在中低端产品，高端电子气体产品的市场仍被外资巨头牢牢控制。（5）溅射靶材。溅射靶材是集成电路晶圆制造中制备薄膜材料的关键原料24，随着集成电路特征尺寸的降低，线宽的
16、减小和连接层数的增加，对溅射靶材的质量要求越来越高。全球能够实现规模化生产的企业很少，主要分布在日本、美国等国家。其中的日矿金属、霍尼韦尔、东曹和普莱克斯这四家企业就占据了80%市场份额。受益于产业政策，国内开始出现专业从事溅射靶材研发和制备的企业，以江丰电子、有研亿金为代表的靶材制造厂商已初具规模，已能够实现自主研发生产。在靶材本土化进程中，目前国内12英寸晶圆制造用的溅射靶材本土化率已达12%，8 英寸以下靶材国产化率达80%以上。而且国产靶材厂商已成功进入世界半导体靶材市场，改变了高纯溅射靶材长期依赖进口的不利局面。（6）湿化学品。湿化学品，又称超净高纯试剂，是集成电路制造的关键性化工材
17、料之一，通常用于芯片生产中的清洗、光刻、刻蚀及表面处理等工艺25，全球主流技术为G3G4标准等级，可适用于纳米尺度的芯片制造。目前全球湿化学品市场格局主要分为：第一块市场被欧美传统老牌企业的湿电子化学品产品所占领，其市场份额约为35%。第二块约28%的市场份额由日本的十家左右企业所拥有。第三块市场份额主要由中国台湾、韩国、中国大陆企业（即内资企业）生产的湿法电子化学品所占，三者合计占有全球市场份额的35%26。经过多年的发展，国内的湿化学品技术取得了一定的突破，大部分企业已经达到G3水平，一些龙头企业可达到G4标准，甚至G5的高端行列。例如湖北兴福电子级磷酸产品已经成功应用于国内外先进生产线；
18、苏州晶瑞双氧水已经批量应用于8 英寸晶圆生产线，应用于12英寸生产线的产品也正在评估中，国内其他企业也已初步形成一定的产业规模，但距国际先进水平尚有一定的差距。（7）CMP抛光材料。化学机械抛光（CMP）技术是公认唯一的全局平面化的表面加工工艺27，广泛应用于集成电路芯片、MEMS等表面的平整化。CMP抛光技术所用的设备及材料主要包括抛光机、抛光液、抛光垫等28,29。其中抛光液与抛光垫分别约占60%和30%的份额。目前全球集成电路抛光材料市场长期被美日欧厂商垄断，其中CMP抛光液市场主要被Cabot、日立、FUJIMI等企业占据，而美国的陶氏化学占据了全球约80%份额的抛光垫材料。未来抛光材
19、料趋于专业化、定制化的发展方向给我国抛光材料厂商带来机遇，国内厂商通过集中资源研发某一特定领域抛光材料取得突破性进展：安集微电子生产的铜/铜阻挡层抛光液和鼎龙股份研制的抛光垫打破了抛光材料高度依赖进口的局面，但国内抛光材料整体水平仍远落后于国际先进技术，整体国产化水平不足10%。（8）封装材料。后端封装材料的三大主要封装材料为封装基板、引线框架、键合丝。封装基板是芯片封装的核心材料，全球封装基板的主要生产厂商集中在我国台湾地区、韩国和日本三地，市场占有率在90%以上，国内封装基板企业已具备一定规模，加工工艺逐渐向国际领先技术靠近，主流基板厂商有深南南路等企业；在引线框架领域，外资企业占据着国内
20、60%左右的市场份额，本土化企业较分散，仅宁波康强一家独大；日本田中贵金属和德国贺利氏等企业占据全球键合丝的高端市场。国内具有影响力的键合丝企业生产的产品主要集中在中低端领域。3 结语经过国内集成电路材料相关企业、科研单位和政府多年的不懈努力下，我国集成电路部分关键原材料不断实现突破性进展，国产化水平不断提高。但相比于集成电路强国，我国集成电路材料的国产化替代率较低，关键技术自主可控能力和国际竞争力远远不足。Process and Fabrication 工艺与制造目前，全球半导体材料处于产能紧张期，在这种情况下，我国超大规模的市场优势和内需潜力将转变为最大的优势，为我国集成电路产业带来难得的
21、发展机遇。我们应从实际情况出发，依托政府和国内集成电路龙头企业，建立产业引领技术发展的路线，重点布局后摩尔时代集成电路新设备、新材料的发展，使我国集成电路产业做大做强。参考文献1 ITRS.InternationalTechnology Roadmap for Semicon-ductorsEB/OL.(2015)2020.http:/.2 Moore G E.Cramming more components onto integrated circuitsJ.Electronics,1965,38(8):114-117.3 Moore G E.Progress in Digital Inte
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